AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺

摘要

本发明属于机械制造切削刀具领域，特别是涉及一种AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺。本发明采用非平衡磁控溅射+电弧离子镀的复合镀膜方法，直接采用AlNbC复合靶作碳源，且沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具或工具基体上制备。所制备的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具，刀具基体表面沉积有涂层，所述涂层从内到外依次为：Ti过渡层、AlNbC涂层与AlNbCN涂层交替的叠层复合结构，最外层为AlNbCN涂层。所制备的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具综合了AlNbC碳化物涂层、AlNbCN碳氮化合物涂层及叠层结构的优点，具有优良的物理机械性能，可广泛应用于钢、不锈钢、铸铁、耐热合金、钛合金等材料的粗加工及精加工。

说明书

技术领域

本发明属于机械制造金属切削刀具领域，特别是涉及一种AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺。

背景技术

当代切削加工技术的快速发展对刀具的材料和性能提出了更高的要求，干式、高速切削成为刀具切削发展的方向。在刀具表面沉积硬质薄膜成为改善和提高刀具使用性能的重要途径。TiCN是目前最广泛使用的三元碳氮化合物硬质涂层，TiCN涂层由于兼具TiC的高硬度和TiN的良好韧性，显著提高了其摩擦磨损性能(Jinlong Li,Shihong Zhang,Mingxi Li.Influence of the C₂H₂>2)与乙炔气体(C₂H₂)在450℃沉积温度下合成了TiCN涂层铣刀，解决了26NiCrMov145材料转子加工难题。

TiCN涂层虽然具有高硬度、低摩擦系数的优点，但同时因其热稳定性和红硬性较差，仅适合应用于低速切削或具有良好冷却条件的场合，需要对传统TiCN涂层结构和制备工艺进行改进。目前，多元化是材料改善力学性能、耐蚀性和耐磨性的有效途径，通过制备多元复合涂层，既可提高涂层与基体的结合强度，又兼顾多种单涂层的综合性能，显著提高涂层刀具的性能。

目前TiCN等碳氮化合物主要通过化学气相沉积技术(CVD)等技术制备，即通过TiCl₄(或Ti靶)、CH₄(或C₂H₂)以及N₂等气体反应生成，沉积温度通常超过400℃，对基体产生不利影响，同时气体碳源容易对涂层设备造成污染，制约了其广泛应用。

层状复合材料是近几年发展起来的材料增强增韧新技术，这种结构是通过模仿贝壳而来，因此又叫仿生叠层复合材料。自然界中贝壳的珍珠层是一种天然的层状结构材料，其断裂韧性却比普通单一均质结构高出3000倍以上。因此，通过模仿生物材料结构形式的层间设计，制备出的叠层复合涂层可以提高目前碳氮化合物涂层的韧性、稳定性及减摩耐磨性等综合性能。

发明内容

目前现有碳氮化合物涂层刀具性能及制备方法的不足，结合层状复合材料结构的优点提供一种AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺。

本发明所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具，包括刀具基体，刀具基体表面沉积有涂层，所述涂层从内到外依次为：Ti过渡层、AlNbC涂层与AlNbCN涂层交替的叠层复合结构，最外层为AlNbCN涂层；

其中：

刀具基体材料为高速钢、工具钢、模具钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼中一种。

所述非平衡磁控溅射AlNbC复合靶中包含重量分数为65-80wt％的Cr、10-20wt％的Nb和10-15wt％的C。

本发明所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具的制备工艺，沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧离子镀复合镀膜方法，沉积时使用2个非平衡磁控溅射AlNbC复合靶，2个电弧离子镀Ti靶：首先采用电弧离子镀沉积Ti过渡层，然后采用非平衡磁控溅射方法交替沉积AlNbC涂层与AlNbCN涂层，最外层为AlNbCN涂层。

所述非平衡磁控溅射AlNbC复合靶中包含重量分数为55-70wt％的Al、20-30wt％的Nb和10-15wt％的C，所述非平衡磁控溅射AlNbC复合靶采用真空热压法制备，其具体步骤包括如下：

(1)将重量配比好的粉末纯度均为99.9％的Al、Nb和C的粉末混匀并装入模具，然后将装有粉末的模具置于真空热压炉；

(2)首先快速升温，并在升温开始施加初始压力20～40MPa，然后慢速升至1100～1500℃，保温，混合粉经热压烧结后成型得样品；

(3)烧结结束后样品随炉冷却降温至100℃以下出炉得非平衡磁控溅射AlNbC复合靶。

所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具的制备工艺，具体包括以下步骤：

(1)对刀具基体表面前处理：首先将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各50min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10^-3Pa，加热至250℃，保温30min；

(2)对刀具基体表面离子清洗：通Ar气，调其压力为1.2Pa，开启偏压电源，电压600V，占空比0.4，辉光放电清洗40min；降低偏压至450V，占空比0.2，开启离子源离子清洗35min，开启电弧离子镀Ti靶电源，Ti靶电流55A，偏压300V，占空比0.2，离子轰击2～3min；

(3)采用电弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层：调Ar气压0.8～0.9Pa，偏压降至200V，调电弧离子镀Ti靶电流80A，沉积温度200℃，沉积Ti过渡层5～6min；

(4)采用非平衡磁控溅射在Ti过渡层上沉积AlNbC涂层：关闭电弧离子镀Ti靶电源，调Ar气压0.9～1.0Pa，偏压调至120V，沉积温度170℃，开启非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积AlNbC涂层3～4min；

(5)采用非平衡磁控溅射在AlNbC涂层上沉积AlNbCN涂层：开启N₂，N₂气压为1.2Pa，Ar气压0.7～0.8Pa，偏压150V，调非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积温度170℃，复合沉积AlNbCN涂层3～4min，沉积完成关闭N₂；

(6)采用非平衡磁控溅射在AlNbCN涂层上沉积AlNbC涂层：调Ar气压0.9～1.0Pa，偏压调至120V，沉积温度170℃，开启非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积AlNbC涂层3～4min；

(7)重复(5)、(6)、(5)…(5)，交替沉积AlNbCN涂层、AlNbC涂层、AlNbCN涂层…AlNbCN涂层，共沉积70min：

(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。

本发明所制备的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具，刀具基体表面沉积有涂层，所述涂层从内到外依次为：Ti过渡层、AlNbC涂层与AlNbCN涂层交替的叠层复合结构，最外层为AlNbCN涂层，刀具基体上的Ti过渡层主要作用是减缓因涂层成分突变造成的层间应力，提高了涂层与刀具基体间的结合性能，涂层中的Al不仅起固溶强化作用，还能跟氧结合形成致密的Al₂O₃保护膜，可改善涂层的高温氧化性能，Nb元素提高了涂层的硬度、强度和抗压、耐磨、耐蚀性能，涂层中的C元素降低了涂层表面的摩擦系数，使涂层具备优异的减摩润滑及耐摩擦磨损性能。同时该叠层复合结构的层间界面可阻止涂层柱状晶的生长，阻碍裂纹和缺陷的扩展，提高涂层的硬度、韧性和耐冲击性。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。

本发明采用非平衡磁控溅射+电弧离子镀的复合镀膜方法，直接采用AlNbC复合靶作碳源，且沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具或工具基体上制备。所制备的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具综合了AlNbC碳化物涂层、AlNbCN碳氮化合物涂层及叠层结构的优点，具有很高的硬度和韧性，且表面光滑，表面摩擦力很低，便于切屑快速流过，耐磨性更好，且刀片表面不易产生积屑瘤，具有极高的抗热变形性能和刃口的完整性，优异的抗高温氧化性能和抗剥离性，良好的减摩润滑及耐摩擦磨损性能。所制备AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具，相比传统TiCN涂层刀具，可提高切削速度50％以上，减小刀具磨损量70％以上，提高涂层使用寿命一倍以上。所述AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具可广泛应用于钢、不锈钢、铸铁、耐热合金、钛合金等材料的粗加工及精加工。

附图说明

图1、本发明的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具的涂层结构示意图。

图中：1、刀具基体 2、Ti过渡层 3、AlNbC涂层 4、AlNbCN涂层 5、AlNbC涂层与AlNbCN涂层交替的叠层复合结构。

具体实施方式

下面给出本发明的二个最佳实施例：

实施例1

本实施例所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具，该刀具为普通的车刀片，其基体材料为：硬质合金M10，刀具基体表面沉积有涂层，所述涂层从内到外依次为：Ti过渡层、AlNbC涂层与AlNbCN涂层交替的叠层复合结构，最外层为AlNbCN涂层。

本实施例所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具的制备工艺，沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧离子镀复合镀膜方法，沉积时使用2个非平衡磁控溅射AlNbC复合靶，2个电弧离子镀Ti靶：首先采用电弧离子镀沉积Ti过渡层，然后采用非平衡磁控溅射方法交替沉积AlNbC涂层与AlNbCN涂层，最外层为AlNbCN涂层。

所述非平衡磁控溅射AlNbC复合靶中包含重量分数为55wt％的Al、30wt％的Nb和15wt％的C。

所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具的制备工艺，具体包括以下步骤：

(1)对刀具基体表面前处理：首先将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各50min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10^-3Pa，加热至250℃，保温30min；

(2)对刀具基体表面离子清洗：通Ar气，调其压力为1.2Pa，开启偏压电源，电压600V，占空比0.4，辉光放电清洗40min；降低偏压至450V，占空比0.2，开启离子源离子清洗35min，开启电弧离子镀Ti靶电源，Ti靶电流55A，偏压300V，占空比0.2，离子轰击2～3min；

(3)采用电弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层：调Ar气压0.8～0.9Pa，偏压降至200V，调电弧离子镀Ti靶电流80A，沉积温度200℃，沉积Ti过渡层5～6min；

(4)采用非平衡磁控溅射在Ti过渡层上沉积AlNbC涂层：关闭电弧离子镀Ti靶电源，调Ar气压0.9～1.0Pa，偏压调至120V，沉积温度170℃，开启非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积AlNbC涂层3～4min；

(5)采用非平衡磁控溅射在AlNbC涂层上沉积AlNbCN涂层：开启N₂，N₂气压为1.2Pa，Ar气压0.7～0.8Pa，偏压150V，调非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积温度170℃，复合沉积AlNbCN涂层3～4min，沉积完成关闭N₂；

(6)采用非平衡磁控溅射在AlNbCN涂层上沉积AlNbC涂层：调Ar气压0.9～1.0Pa，偏压调至120V，沉积温度170℃，开启非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积AlNbC涂层3～4min；

(7)重复(5)、(6)、(5)…(5)，交替沉积AlNbCN涂层、AlNbC涂层、AlNbCN涂层…AlNbCN涂层，共沉积70min：

(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。

实施例2

本实施例所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具，该刀具为普通的焊接车刀，其基体材料为：高速钢W18Cr4V，刀具基体表面沉积有涂层，所述涂层从内到外依次为：Ti过渡层、AlNbC涂层与AlNbCN涂层交替的叠层复合结构，最外层为AlNbCN涂层。

本实施例所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具的制备工艺，沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧离子镀复合镀膜方法，沉积时使用2个非平衡磁控溅射AlNbC复合靶，2个电弧离子镀Ti靶：首先采用电弧离子镀沉积Ti过渡层，然后采用非平衡磁控溅射方法交替沉积AlNbC涂层与AlNbCN涂层，最外层为AlNbCN涂层。

所述非平衡磁控溅射AlNbC复合靶中包含重量分数为70wt％的Al、20wt％的Nb和10wt％的C。

所述的AlNbC/AlNbCN叠层复合涂层刀具的制备工艺，具体包括以下步骤：

(1)对刀具基体表面前处理：首先将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各50min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10^-3Pa，加热至250℃，保温30min；

(2)对刀具基体表面离子清洗：通Ar气，调其压力为1.2Pa，开启偏压电源，电压600V，占空比0.4，辉光放电清洗40min；降低偏压至450V，占空比0.2，开启离子源离子清洗35min，开启电弧离子镀Ti靶电源，Ti靶电流55A，偏压300V，占空比0.2，离子轰击2～3min；

(3)采用电弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层：调Ar气压0.8～0.9Pa，偏压降至200V，调电弧离子镀Ti靶电流80A，沉积温度200℃，沉积Ti过渡层5～6min；

(4)采用非平衡磁控溅射在Ti过渡层上沉积AlNbC涂层：关闭电弧离子镀Ti靶电源，调Ar气压0.9～1.0Pa，偏压调至120V，沉积温度170℃，开启非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积AlNbC涂层3～4min；

(5)采用非平衡磁控溅射在AlNbC涂层上沉积AlNbCN涂层：开启N₂，N₂气压为1.2Pa，Ar气压0.7～0.8Pa，偏压150V，调非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积温度170℃，复合沉积AlNbCN涂层3～4min，沉积完成关闭N₂；

(6)采用非平衡磁控溅射在AlNbCN涂层上沉积AlNbC涂层：调Ar气压0.9～1.0Pa，偏压调至120V，沉积温度170℃，开启非平衡磁控溅射AlNbC复合靶电流30A，沉积AlNbC涂层3～4min；

(7)重复(5)、(6)、(5)…(5)，交替沉积AlNbCN涂层、AlNbC涂层、AlNbCN涂层…AlNbCN涂层，共沉积70min：

(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。